Fraunhofer IPMS / MEMS / Spektroskopie
Alltagstaugliche Spektrometer durch MEMS-Technologie
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Chemische Verbindungen haben eine charakt. Absorption
Charakteristische Absorption
Viele chemische Stoffe absorbieren nicht im nahen Infrarot, sondern im mittleren Infrarot (3 – 12 µm). Um auf mögliche Risiken, wie entweichende Giftstoffe, mittels spektroskopischer Analysen hinweisen zu können, entwickelt Fraunhofer IPMS gemeinsam mit IAF (Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik) eine monochromatische Strahlungsquelle für den mittleren Infrarotbereich. Diese bildet die technologische Grundlage für die Entwicklung handlicher Spektrometer, die in der Lage sind, die Konzentration verschiedener Gefahrstoffe schnell vor Ort zu ermitteln. Die Strahlungsquelle ist eine Kombination aus einem im mittleren Infrarot breitbandig anregbaren Quantenkaskadenlaserchip und einem MEMS-Scanner basierten lichtstarken Beugungsgitter. Um das emittierte Licht des Quantenkaskadenlasers verändern bzw. durchstimmen zu können, wird das mikromechanische Bauelement (Durchmesser von 5 mm) im externen Resonator des Quantenkaskadenlasers platziert. Ein Durchfahren der Laserwellenlänge mit einer Frequenz von 1000 Hz ist gewährleistet. Der Durchstimmbereich beträgt bis zu 20 Prozent der Zentralwellenlänge. Auf diese Weise kann im Zeitmultiplex die Probe mit unterschiedlichen Wellenlängen bestrahlt werden. Mit Hilfe des »Fingerabdrucks« wird Art und Konzentration der chemischen Verbindung ermittelt.
Ultraschall-Messung
Neben Verfahren zur optischen Spektroskopie arbeitet Fraunhofer IPMS auch an spektroskopischen Untersuchungen mittels Ultraschall. Ultraschall-Untersuchungen ermöglichen v. a. die Analyse physikalischer Kenngrößen und chemische Analyse von Dispersionen. Die Analyse der frequenzabhängigen Dämpfung der Schallgeschwindigkeit trifft Aussagen über Qualität und Zusammensetzung von Ölen, Alkohol-Wasser-Gemischen oder sonstiger Flüssigkeiten. Kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler (CMUT) sind Wegbereiter für kompakte Umweltmesssysteme. Im Gegensatz zu piezoelektrischen Ultraschall-Messelementen werden CMUTs durch mikromechanische Verfahren gefertigt. Die Verwendung von CMUTs ermöglicht die Herstellung kompakter Geräte. Durch eine monolithische Integration der Sensoren mit CMOS-Schaltungen, können komplette Analysesysteme auf einem einzigen Chip aufgebaut werden. Für die akustische Spektroskopie sind CMUTs geeignet, da sie in flüssigen Medien effizient den Schall einstrahlen, die Detektion gut ist und eine große Frequenzbandbreite verwendet wird.
Sensor+Test 2016
Auf der Sensor+Test (10.-12. Mai 2016) in Nürnberg demonstriert Fraunhofer IPMS die Ansätze zur optischen und akustischen Spektroskopie. Besucher können sich auf dem Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft (Stand 248 / Halle 5) über die ausgestellten Exponate informieren.
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